模拟集成电路频率响应.pdf

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DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits第六章第六章单级放大器的频率响应单级放大器的频率响应主讲：

魏广芬主讲：

魏广芬职称：

副教授职称：

副教授山东工商学院信电学院山东工商学院信电学院1DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits第五章重点内容回顾（）第五章重点内容回顾（）对电流源的要求对电流源的要求可调、精确、稳定可调、精确、稳定基于基于IREF得到所需电流得到所需电流基本电流镜基本电流镜合理设计尺寸可获得期望电流合理设计尺寸可获得期望电流沟道长度调制效应引起精度降低沟道长度调制效应引起精度降低L取相同，取相同，W基于单元管并联基于单元管并联共源共栅电流镜共源共栅电流镜提高了输出电阻，实现了高精度提高了输出电阻，实现了高精度牺牲了输出电压摆幅牺牲了输出电压摆幅降低值能增大摆幅降低值能增大摆幅2outREF12outREF1（W/L）I=I（W/L）（W/L）I=I（W/L）2DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits第五章重点内容回顾（）第五章重点内容回顾（）电流镜作负载的差分放大器电流镜作负载的差分放大器将差分输入转换为单端输出将差分输入转换为单端输出差分增益差分增益共模增益会影响差分放大器性共模增益会影响差分放大器性能；高频、存在失配时更严重能；高频、存在失配时更严重3DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits教材主要内容教材主要内容第第1章章绪论绪论第第2章章MOS器件物理基础器件物理基础第第3章章单级放大器单级放大器第第4章章差动放大器差动放大器第第5章章无源与有源电流镜无源与有源电流镜第第6章章放大器的频率特性放大器的频率特性第第7章章噪声噪声第第8章章反馈反馈第第9章章运算放大器运算放大器第第10章章稳定性与频率补偿稳定性与频率补偿第第11章章带隙基准带隙基准第第12章章开关电容导论开关电容导论第第13章章非线性与不匹配非线性与不匹配第第14章章振荡器振荡器第第15章章锁相环锁相环第第16章章短沟道效应与器件模型短沟道效应与器件模型第第17章章CMOS工艺技术工艺技术第第18章章版图与封装版图与封装DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits48学时DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits第六章第六章主要内容主要内容6.1概述概述6.2共源级共源级6.3源跟随器源跟随器6.4共栅级共栅级6.5共源共栅级共源共栅级6.6差动对差动对6DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits6.1概述概述1、放大器放大器的频率特性的频率特性前面分析各放大器时未考虑寄生电容前面分析各放大器时未考虑寄生电容在低频时，这些电容的阻抗（在低频时，这些电容的阻抗（1/2fC）很大）很大相比于相比于ro和和RD，电容阻抗可忽略，电容阻抗可忽略根据作业根据作业2.15，知，知50/0.5的的NMOS管的各寄生电容均小于管的各寄生电容均小于100fF，f=1Hz时的阻抗为时的阻抗为但当但当f=1GHz时，电容阻抗不可忽略时，电容阻抗不可忽略7=GfCsC1592100121021115|=KmAVIrDno10110111.DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits放大器的频率特性放大器的频率特性频率特性频率特性输入信号频率从低频到高频变化过程中，线性电路的增益、输入阻抗输入信号频率从低频到高频变化过程中，线性电路的增益、输入阻抗、噪声等指标随频率的变化特性、噪声等指标随频率的变化特性关注其幅值和相位随频率的变化关注其幅值和相位随频率的变化变化的原因：

变化的原因：

电阻阻值不随频率改变，但电容、电感等器件的阻抗随频电阻阻值不随频率改变，但电容、电感等器件的阻抗随频率改变率改变直流时认为电容断路。

电感短路；即电容阻抗无穷大，电直流时认为电容断路。

电感短路；即电容阻抗无穷大，电感阻抗为感阻抗为0如何分析电路的频率特性？

如何分析电路的频率特性？

复数分析法、复数分析法、S域分析法域分析法电路分析电路分析8DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuitsS域中电阻、电容、电感的电压域中电阻、电容、电感的电压/电流方程电流方程S域中电阻、电容、电感的电压方程域中电阻、电容、电感的电压方程S域中电阻、电容、电感的电流方程域中电阻、电容、电感的电流方程sLsssLILIsVsCssIsCsVsVssRIsV域阻抗为域阻抗为域阻抗为）,（）（）（）,（）（）（）,（）（+=+=0110RsLssVsLIssIsCsssCVCVsIssVsI11010GG域导纳为域导纳为域导纳为）,（）（）（）,（）（）（）,（）（+=+=9DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuitsS域中分析频率特性的通用方法域中分析频率特性的通用方法画出电路的高频小信号等效电路画出电路的高频小信号等效电路推导传输函数（如推导传输函数（如Av（s）等）等）电容电容C的阻抗为的阻抗为1/sC，电感，电感L的阻抗为的阻抗为sL方法方法1列列KCL或或KVL方程（组），解方程方程（组），解方程较繁琐，但结果准确较繁琐，但结果准确方法方法2用极点用极点-结点关联法直接写传输函数结点关联法直接写传输函数在适用情形下，能极大简化推导，但有误差，用于了解趋势在适用情形下，能极大简化推导，但有误差，用于了解趋势根据推导结果，分析变化规律，用于指导设计根据推导结果，分析变化规律，用于指导设计传输函数通常要分析极点和零点传输函数通常要分析极点和零点Rin（s）、Rout（s）分析其随频率的变化分析其随频率的变化10DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuitsS域中域中系统的传输函数系统的传输函数传输函数的通用表达式传输函数的通用表达式H（s）分母的根为极点分母的根为极点稳定：

所有根的实部都为负数，电路加激励后才稳定稳定：

所有根的实部都为负数，电路加激励后才稳定H（s）分子的根为零点分子的根为零点零点位于波特图的左半平面时，有利于反馈放大器的稳定零点位于波特图的左半平面时，有利于反馈放大器的稳定在后面的分析中，重点分析传输函数的极点和零点在后面的分析中，重点分析传输函数的极点和零点主极点约等于带宽（主极点约等于带宽（0.707Av点对应的频率）点对应的频率）极零点决定着系统能否稳定极零点决定着系统能否稳定）（）（）（）（）（）（）（nmpspspszszszsHsFsGsH=1111112121011DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits用用s域法分析电路的实例域法分析电路的实例ViV0sRC111/sCR1/sCVVA（s）sRC111/sCR1/sCVVA（s）i0i0+=+=2PPi02PPi0）ff（11|ffj11|j2fRC11|（f）VV）ff（11|ffj11|j2fRC11|（f）VV+=+=+=ppf1/（2RC）f1/（2RC）Pi0Pi0ffarctg（jf）VVffarctg（jf）VV=式中式中:

sC1sC1R极点极点p=1/RC12电容会影响频率和相位电容会影响频率和相位DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits6.1概述概述2、密、密勒定理勒定理）A（1ZZ）A（1ZZv1v1=）A（1ZZ）A（1ZZv12v12=密勒定理：

密勒定理：

如果上图如果上图（a）的电路可以转换成图的电路可以转换成图（b）的电路，则的电路，则:

（a）（b）YVXYVXVA=VVA=V式中式中，是在所关心的频率，是在所关心的频率下的小信号增益，下的小信号增益，通常为通常为简化计算，我们一般用低频增益来代替简化计算，我们一般用低频增益来代替AV，这这样足可以使我们深入理解电路的频率特性。

样足可以使我们深入理解电路的频率特性。

13DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits=+1FvF1FvFCC（1A）=C（1A）CC（1A）=C（1A）=12FvF12FvFCC（1A）CCC（1A）CZ=FF1sC1sCF1VFV1F1VFV11sC11Z=1-AsC（1-A）sC1sC11Z=1-AsC（1-A）sCF2-1-1VFV2F2-1-1VFV21sC11Z=1-AsC（1-A）sC1sC11Z=1-AsC（1-A）sC14例例6.1图图6.2所示电路，其中电压放大器增益为所示电路，其中电压放大器增益为-A，该放大器的其它参，该放大器的其它参数是理想的。

计算该电路的输入电容。

数是理想的。

计算该电路的输入电容。

解：

即为等效输入电容测量输入电容的方法：

在输入端加一个阶跃电压并计算由此电压源供给的电荷DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits密勒定理不适用的情况密勒定理不适用的情况信号主通路信号主通路结点结点X与与Y之间只有一条信号通路，密勒定理不成立。

此时利用密勒定理之间只有一条信号通路，密勒定理不成立。

此时利用密勒定理得到的输入阻抗是对的，但增益是错的。

得到的输入阻抗是对的，但增益是错的。

在阻抗在阻抗Z与信号主通路并联的情况下，密勒与信号主通路并联的情况下，密勒定理被证明是非常有用的，它可以简化很多定理被证明是非常有用的，它可以简化很多频率特性方面的复杂问题，利于我们从宏观频率特性方面的复杂问题，利于我们从宏观上去理解电路。

上去理解电路。

15DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits例例6.1计算图计算图6.5（a）所示的电路的输入电阻所示的电路的输入电阻解：

由X点到Y点的电压增益为=+vmmbovmmboA（gg）r1A（gg）r1输入电阻等于16DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits解：

由共栅放大器增益解：

由共栅放大器增益Av例例3.123.12计算以电流源为负载的共栅级的电压增益，电路如图所示计算以电流源为负载的共栅级的电压增益，电路如图所示DDSSombmoombmvDDSSombmoombmvRRRR）rg（gr1）rg（gARRRR）rg（gr1）rg（gA+=+vmmbovmmboA（gg）r1A（gg）r1令令RD趋于无穷趋于无穷17DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits3、极点、极点与结点的关联（与结点的关联

（1）理想电压理想电压放大器放大器ininininininininininMM1sCVV=V=11+sRCR+sC1sCVV=V=11+sRCR+sC1N1N1N1NMMAVV=1+sRCAVV=1+sRC22NoutN2NoutNAVV=1+sRCAVV=1+sRC同理：

同理：

各极点之间没有相互作用各极点之间没有相互作用18DesignofAnalogCMOSIntegratedCircuits极点与结点的关联（极点与结点的关联

（2）理想电压理想电压放大器放大器out12inin1N2Pout12inin1N2PVAA1A（s）=V1+sRC1+sRC1+sRCVAA1A（s）=V1+sRC1+sRC1+sRC各极点之间没有相互作用各极点之间没有相互作用123in1N2P123in1N2P111P=-P=-P=-RCRCRC111P=-P=-P=-RCRCRC有有三个实极点，每个实极点的大小等于从该结点三个实极点，每个实极点的大小等于从该结点“看进去”的总电容“看进去”的总电容与从该结点与从该结点“看进去”的总电阻的乘